[发明专利]一种高强高韧Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法

说明书

本发明公开了一种高强高韧Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法，首先在原料中通过添加碳化钒和过量的碳，可以降低环相的晶格参数并使得金属陶瓷中粘结相中富碳；另外随后在固相烧结阶段需引入氮分压，减少Ti(C,N)基金属陶瓷的氮损失，同时金属陶瓷经高温液相烧结后，再冷却至凝固点(1300～1380℃)额外保温1～3h，使得外环相的晶格完整，晶格参数变化小。从而使本发明所制备的Ti(C,N)基金属陶瓷的外环相与金属界面处的晶格错配度低，使得陶瓷与粘结相的界面结合强度高。外环相内晶格错配度的降低促使陶瓷断裂模式由沿晶断裂转为穿晶断裂，且在陶瓷断口附近原位产生韧窝，可有效提高金属陶瓷的强韧性。该金属陶瓷可广泛应用于轴承料、切削刀具、模具材料等领域。

技术领域

本发明涉及一种高强高韧Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法，属于金属陶瓷技术领域。

背景技术

Ti(C,N)基金属陶瓷是作为耐磨工件，切削刀具和恶劣环境下工作的轴承及量规量具的重要材料。但粘结相Ni和Co等对陶瓷相Ti(C,N)不够浸润，以至金属陶瓷的强韧性较低。为了改善Ni对Ti(C,N)颗粒的润湿性，在金属陶瓷中通常以碳化物、复式碳化物/碳氮化物的形式引入W/Mo/Ta/Nb/Cr等合金元素来获得不同成分和形态的环芯相。然而，内、外环相与芯相三者之间存在Ti、W、Mo或Ta等元素的分布差异，使其热膨胀系数、弹性模量等物理性质存在差别，易萌生裂纹，导致Ti(C,N)基金属陶瓷过早失稳。

因此，如何降低或消除环形相与芯相间的界面应力，从环芯相界面强化的角度来实现材料的高性能是研究的关键。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高强高韧Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法，本发明通过降低Ti(C,N)基金属陶瓷外环相与金属界面处的高错配度及低的界面结合强度，从而使Ti(C,N)基金属陶瓷强韧化。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明一种高强高韧Ti(C,N)基金属陶瓷的制备方法，包括如下步骤：按设计比例配取原料：Ti(C,N)、过渡金属碳化物、粘结相、碳粉，球磨获得混合料，在混合料中加入成形剂，制粒获得预压粉末，压制成形获得压坯；压坯经脱脂烧结、固相烧结、高温烧结，冷却即得Ti(C,N)基金属陶瓷；

所述过渡金属碳化物包含碳化钒，所述碳化钒在混合料中的质量分数为2～5wt％；

所述冷却过程中，先以2～10℃/min降温至1300～1380℃保温1～3h，然后再随炉冷却。

优选的方案，所述冷却过程中，先以2～5℃/min降温至1350～1380℃保温1～2h，然后再随炉冷却。

发明人通过大量的实验发现，外环相可分为畸变层，过渡层和稳定层三层结构，并确认该结构主要形成于烧结的冷却阶段。外环相的畸变层位于与金属相界面处，其厚度很薄(3～5原子层厚度)。现有技术中的Ti(C,N)基金属陶瓷，畸变层与稳定层间的晶格错配度达4.0％以上，这将大大降低金属陶瓷粘结相与外环相的界面结合强度。而降低畸变层与稳定层间的晶格错配度，可有效提高金属陶瓷的强韧性，其强韧性源于穿晶断裂时，陶瓷晶粒周边的粘结相的塑性变形。

因此，本发明技术方案，一方面通过引入一定量的碳化钒可显著降低外环相的晶格参数，另一方面在烧结初始降温阶段要用缓慢冷却速率，同时在凝固点附近的保温；可促进外环相畸变层的晶格错配度的下降。

优选的方案，所述碳粉在混合料中的质量分数为0.8～1.5％。

作为进一步的优选，所述碳粉在混合料中的质量分数为1～1.5％。

在本发明中，加入了过量的碳，发明人发现，粘结相中的富碳诱导冷却阶段外环相的晶格完整，缺陷少。